舰船防海生物污损技术应用情况及研究进展

何利勇 李 生 刘 俊 梁来雨 张 华

（1. 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064；2. 海军驻武汉七一九所军事代表室，湖北 武汉 430064）

0 引言

我国已经明确提出“建设海洋强国”的战略目标，舰船作为最重要的海洋装备之一，在海洋运输、海洋国防安全等方面有着重要作用[1]。相对于陆用装备，海洋生物污损是影响舰船性能的关键因素。海洋污损生物（Marine Fouling Organism），又叫海洋附着生物，是对栖息在船底和南海上的设施上的动、植物和细胞生物的俗称。引起舰船海洋中生物污损的海生生物门类繁多，据计算海洋中大概有4000～5000种污损的海洋生物，包括约600种植物性生物，约1300种动物性生物，常见的微生物、植物、动物只有50～100余种。这些海生物在海洋设施表面吸附、生长、繁殖、代谢和死亡而形成的生物垢，会给海洋工程设施造成很大破坏[2,3]。舰船是海洋生物污损的重灾区，在螺旋桨、通海口、水线以下船体部位都存在严重的生物污损情况，如图1所示。据统计，在水线以下的船体外壳若污损百分之五，燃料将增耗百分之几十；若污损百分之几十，燃料将增耗百分之二十；若污损达到百分之五十，燃料将增耗百分之四十以上。在海洋环境中，新船在下水后的6个月，由于生物污损而造成航行体的阻力增加达到10%以上[4]。另外，金属污损生物还会造成在其附着范围内的pH值、溶氧含量及其他溶质含量在空间上分布不平衡，进而影响对金属材料侵蚀的速度以及进程。污损生物也会加速电化学侵蚀的进程和速率，进而加剧了船舶锈蚀和老化，从而促使船只更加密集地进入船厂修理，花费了巨大的时间和资源。因此，海洋生物污损已成为制约海洋舰船装备服役安全性的关键因素，而海生物污损防护技术则是舰船降低海生物污损负面影响的关键技术[1]。

图1 舰船海洋生物污损敏感部位

海生物污损防护技术是指采用物理或者化学方法，通过杀死海生物或者抑制海生物的表面附着行为来降低装备或材料表面的海洋生物附着的风险[5]。常用的船舶海上污损物质主要是藤虎、淡菜、苔藓虫、马尾藻和海鞘等，由于这些海洋生物附着对航运、军事和海上装备都造成了很大的影响，对海生生物附着机制的深入研究以及对其防除技术的研究已成为当前船舶武器发展的重点问题。

针对目前舰船领域海洋生物污损防治这一热门话题，本文综述了目前海洋生物的污损机理及其防治技术原理，概述了目前舰船装备领域防海生物污损的技术现状及其应用情况，并提出了舰船防海生物污损研究的发展方向。

1 海生物污损防护技术原理

海洋材料的腐蚀与生物污损是一个多学科交叉的复杂过程，其中包括材料学、表面化学、电化学、腐蚀学、微生物学、分子生物学等。生物被膜在微生物引起的金属腐蚀和生物污损中起到关键性作用。当金属材料浸入海水中，环境中游离态的微生物能够在短短几个小时内迅速吸附到材料的表面形成生物被膜（Biofilm）。形成生物被膜是引发微生物金属腐蚀的前提，随着生物被膜的生长，在生物被膜与材料的交界面处会发生氧化还原反应，继而造成金属的腐蚀；另外，早期形成的微生物被膜也为后续的大型海洋动物附着在金属表面奠定了基础，微生物被膜改变基体材料表面的化学特性，并会通过生物刺激不断扩大，从而为大型污损生物附着和生长提供丰富的营养物质，促使膜中菌落的孢子以及大型污损生物如贻贝、藤壶等的幼虫在膜表面生长繁殖，最终形成完整的生物群落。由此可见，生物被膜在微生物引起的金属腐蚀和生物污损中发挥了关键性的作用。

海洋污损生物易生存在温度较稳定，水流畅通的港湾、江河入海口。在我国南方的各沿海，由于气温较高，温度波动小，所以海洋附着生物的数量也较多，所以繁殖的时候也长，因此基本上全年都是海洋生物附着的旺季（包括三亚）。而在我国北方沿海，每年的5～10月一般也是附着旺季（包括青岛）。一般来说，海洋上种类的附着规模和船只在港湾停靠的时间成正比，停靠的时间越长，附着的规模就越大，经常行驶的船只则附着较少。据研究，一旦船只航速超过四mile/h，贝壳类幼虫就不能附着[6-8]。

一般而言，国内外学者把海生物的附着过程分为4个阶段：调节阶段、微生物薄膜初期形成阶段、其他微生物附着阶段、各生物增殖阶段[9]。从这四个阶段的各自特征来看，防止生物污损的技术作用于第一、二阶段时往往会取得良好的效果，而一旦进入生物附着后期，采用常规的手段将难以完全去除已经附着的海生物，必须采用机械清除的方法才能完全清理。

目前，船舶上使用的抗海水生物污损的技术主要分为物理抗污法、化学抗污法和生态抗污法三大部分。（1）物理抗污技术，是指通过物理的方法或利用物理手段降低或抑制污损生物的附着能力，以实现抗污的目的。很多常规抗污技术均属于物理抗污技术，如机械清除法、电动式水喷射流除污法、可剥离涂料抗污法、低表面性能涂层抗污法、超声抗污法、紫外线抗污法；（2）化学抗污方式是通过特定的化学物质对污损生物进行灭活或毒杀， 干扰其附着过程或降低附着强度。化学防污法主要可分为直接加入法、防污橡胶、化学抗污涂层方式和电解抗污方式。化学抗污技术是目前比较完善的抗污技术手段，在各类船舶武器上早已得到了广泛的使用，起到了非常关键的抗污技术功能。化学抗污方式的最大缺点是采用的有毒物质会污染海洋环境，可能使海洋生物产生畸变，对人类本身也有较大的危害；（3）化学生物抗污方式的影响机理十分复杂，有抑制附着、控制生物变态、影响神经传导及其驱避功能等。生物抗污技术又可包括生物防污药剂涂料、仿生学涂料。生物抗污技术作为新兴的工业防污科技，其防污寿命较长，效果突出，且安全无公害，相对于传统利用有毒药剂防除污损的化工防污技术来说，具有比较明显的技术优势[10,11]。尽管目前在国内已经有许多专家正在开展生物抗污技术的研究工作，但是该项研究方法还是相对简单的，尚处于实验探索期，与实际使用技术水平还有一定的距离，尚需要进行大量的科研研究和实践测试才能实现具体应用。

根据舰船实际的应用情况，目前防污涂层法和电解防污法是舰船应用最为成熟的方法。两种方法的技术原理如下所述。

1.1 防污涂层技术

目前，全球90%以上的防污涂料市场是以防污剂释放型涂料。它主要由高分子树脂、防污剂、颜填料、助剂和溶剂组成，其中最主要的元素就是高分子树脂和抗污剂。聚砜树脂是防污管理涂料的基质，提供力学强度、附着特性和控制防污物释放等功能，而防污剂则具有扩散、杀灭污损生物的功能。防污涂料可依据其高分子树脂的种类分为基体不溶型、基体可溶型以及自抛光防污涂料三类，图2展示了这三种防污剂释放型涂料的机制差异。其中，（1）基料不可溶型防污涂料，通常使用的是不可溶解于海水的树脂，如丙烯酸类树脂、氯化橡胶、乙烯基树脂和环氧基树脂等，在防污剂缓慢释放后，涂层内部形成许多孔洞，它们与惰性树脂、填料等形成的渗滤层（leached layer）阻碍着海水的渗入，加上此时涂料与海水中的防污剂浓度差也变小，因此防污剂释放率逐渐下降，当低于一定浓度时便失去防污效果。因此，此类涂料的防污期效通常比较短，不到2年，主要应用于小型渔船的防污；（2）基料可溶型防污涂料，涂层含有可溶解于海水的树脂（大多是松香及其衍生物），这类防污涂层在使用过程中树脂会不断溶解、消失，防污剂随之释放到海水中，但涂料中不可溶解的部分树脂仍会导致一定厚度的渗滤层。其防污剂的释放率比基料不可溶型涂料的下降更缓慢，因此防污有效期可达3年；（3）自抛光防污涂料，其渗滤层比基料不可溶和基料可溶型涂料薄，防污剂可持续释放并维持在一定的有效浓度，是目前商业化产品中最有效的防污材料之一，防污期效可达3～5年，广泛应用于商船[12,13]。

图2 舰船防污剂释放型防污涂层的三种作用机制

近年来，基于仿生思路的环境友好的海洋防污涂层备也受科研人员的关注，科研工作者采用各种方法努力实现涂层不释放杀生剂，而是依靠涂层的物理和化学性质来实现环境友好、长期有效的海洋防污。基于这一理念，表面形貌、表面亲疏水性、表面电荷特性等理化性质都是研究的重点。在形貌方面，最初科研人员模拟鲨鱼皮肤的形貌，近期的研究结果表明猪笼草的表面形貌也具有海洋防污的特性。在利用表明亲疏水性防污方面，一方面是采用超疏水材料，研究结构表明，超疏水材料有利于附着生物的剥离；另一方面，空气中亲水且水下疏油的水凝胶也被广泛研究作为海防防污材料的可能性。表面的离子特性也会对防污起到一定的影响，研究结果表明，正负离子对的同时出现会有很好的防污效果。

1.2 电解防污技术

所谓电解防污就是通过电化学的手段，通过所产生的离子来杀死海生物。目前常用的电解防污方法有：电解海水制氯法、电解Cu-Al阳极法、电解氯-铜联合法等[14]。

电解海水制氯技术使用了海洋中自然存在的氯化物离子，并通过特制的阴极通入直流电，可以在没有隔离层的条件下直接电解海水生成有效氯（HClO），并利用有效氯的高氧化性从而杀灭了海洋中污损海洋生物的幼体及芽孢，以此达到了防治污损的目的。次氯酸钠的消毒机理与氯气相似，杀菌效果也与氯气相同，但与水的亲和力较好，可和海水按任意配比互溶。浓度为0.10mg/L的次氯酸便能对藤壶形成驱散效果，而浓度为0.03～0.05mg/L的游离氯便能起到阻止近海生物附着的效果。反应如式（1）所示：

电解铜阳极方法是利用铜等重金属离子有毒的特点，安装专门制作的铜阳极，另外配套安装铝阳极或铁阳极，以被保护的金属结构物作阴极，通入直流电，电解出铜离子、铝离子（或铁离子）。铜是毒料，能减小许多动物性生物的附着量，起到防污作用。Al（OH）3絮状物粘附在管道上，起到一定的阴极保护作用。反应如式（2）所示：

2 舰船装备海生物污损防护技术应用现状

舰船领域常用的防污手段如图3所示。根据图3中所示，对部分已经在舰船装备上成熟应用的防污方法及其应用部位进行详细说明。

图3 舰船常用的防污手段

2.1 船体结构防污技术

船体结构防污主要采用防污涂层技术，应用部位主要是针对船体水线以下的外表面。

20世纪60年代开始，以有机锡衍生物为添加剂的防污涂料得以广泛开发和使用。有机锡衍生物既可独立应用，又可和氧化亚铜搭配应用，有助于改善广谱杀菌技术性的防污性能。用氧化亚铜与有机锡化合物为复合毒料配方的防污涂料，已完全能够适应船舶防污期抗污的要求[15]。但上述防污涂料为溶解型和渗透型，由于存在毒料中渗出物率不均匀和外观较为粗糙的缺陷，现在已逐步退役应用。目前舰船常用的防污涂层有含铜化合物防污涂层、无锡自抛光防污漆、有机硅系列低表面能防污涂料[16]，具体的发展情况及应用部位如图4所示。

值得注意的是，在防污涂层应用时，基于涂层体系匹配性考虑，一般在防腐底漆与防污面漆之间施加连接层，以保证涂层体系的结合强度。

2.2 海水管路及内部水舱防污技术

对于舰船海水管路、内部水舱等封闭或半封闭区域，由于防污涂层施工困难，一般采用电解法进行防污，其主要原因是在这种封闭或半封闭区域内，电解法产生的防污剂能够建立起有效浓度，进而达到防污的效果。

目前舰船上应用的电解防污技术主要包括电解海水防污技术和电解铜阳极防污技术。电解海水防污系统主要包括电源（恒电位仪）、耐蚀阳极等，电解海水产生的次氯酸为不稳定的强氧化剂，其浓度只要达到0.01ppm就能达到防污的效果，可用于海水管路的防污[16]。电解铜、铝阳极综合防污技术因Cu+是抑制生物附着的有效物质，所以在中小型舰船上，可对铜阳极施加一定幅度的直流电，通过铜阳的电解产生Cu+离子，当Cu+浓度达到5ppm时，便可防止海洋生物的附着。电解铝阳极产生Al（OH）3粘胶，可裹住Cu+，使其效用更长，同时，Al（OH）3附在管壁上，起到防蚀作用。两种电解防污技术的典型应用场景如图5、6所示。

图5 舰船电解海水制次氯酸防污法

图6 舰船电解铜阳极防污方法

3 结语

随着中国海洋强国建设脚步的前进，海洋中生物污损将成为制约船舶装备进入深海、远洋的关键因素。安全有效的抗污技术将在船舶装备设计中日益受到重视，其功能也将日益突出。展望未来船舶抗污技术，大致有这样一些方面：

（1）对无毒低表面能防污涂料进行改性，进一步提高其抗海生物吸附性能和粘着力；研究开发具有优异防海生物吸附功能的超疏水材料和仿生材料；

（2）开展电解防污系统的智能设计，实现防污剂的靶向投放，精准高效的实现防污效果，使其满足舰船内部复杂管路系统的防污需求，特别是钛合金管路的防污；

（3）多功能一体化防污材料研制，在常规的防污效果基础上，复合耐磨、抗空蚀、长效防腐等其他功能，以实现特殊部位的防污需求。